零基础入门PCB设计 强化篇 第六章（实验——USB拓展坞PCB绘制）

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1、USB拓展坞元件选型

（1）USB拓展坞也称为HUB集线器，它是连接在HOST端与DEVICE端之间的一种用于USB接口扩展的USB设备。可以将一个USB上行接口扩展为多个下行接口，使得一个HOST可以同时与多个DEVICE连接，一般来说，一块HUB桥接芯片可扩展4个USB接口。

（2）本实验使用的物料：

①HUB桥接芯片——SL2.1A。

②USB接口——Type A与Type C。

[1] Type A的引脚定义：

[2] Type C的引脚定义：

（3）USB简介：

①单端信号与差分信号：

[1] 单端信号：信号的检测基于信号线与参考基准线（通常是地）之间的电平变化，比如串口通信就是这种模式，串口有三根线（TX、RX和GND），发送和接收信号都是基于GND的电平而言的。

[2] 差分信号：通过控制两个信号线之间的电平差异传递信息，实际传输的是两根信号之间的电平差，电平差不同，携带的信息就不同。

[3] 相对于单端信号，差分信号放大了有效信号。比如，对单端信号而言，输出3V的电压，不计干扰和损耗的情况下，则接收到的也是3V；而差分信号，一条线是3V，另一条是-3V，差分电压则是-6~6V，这样就极大的提高了抗外部干扰的能力。

②USB全称通用串行总线（Universal Serial Bus，缩写USB），是一种串口总线标准，也是一种输入输出接口的技术规范，被广泛地应用于个人电脑和移动设备等信息通讯产品。新型Type C接口允许正反盲插。

③USB使用差分信号传输数据，包括一对互补的信号，即正向信号和负向信号。

2、USB拓展坞原理图设计

（1）在开始页新建一个工程，命名为“USB拓展坞”，并同步更改板子、原理图和PCB的命名。

（2）关键器件添加：

①在库中找到SL2.1A，将其添加到画布中，并根据数据手册中的参考电路进行原理图绘制。

②在库中找到16P的Type-C接口，将其添加到画布中。

③在库中找到名为“USB-A型母座 180度 短体 直边”的Type-A接口，添加4份到画布中。

（3）关键器件外围电路绘制：

①在库中找一个12MHz的晶振和两个10uF的贴片电容，将其添加到画布中，先根据数据手册中的参考电路以SL2.1A为中心展开绘制，与其它关键器件交互的引脚用网络标签替代。

②Type C接口支持正反插，所以SL2.1A的DP同时与Type C的DP1和DP2相连，SL2.1A的DM同时与Type C的DN1和DN2相连。

③Type C的SBU引脚是备用引脚，本实验不使用，需放置非连接标识符“×”。

④VBUS是Type C的供电引脚，输入电压为+5V，故需连接+5V的网络标签，GND引脚及EP（固定插针）接地即可；CC引脚与快充有关，本实验不涉及，下拉一个5.1kΩ的电阻接地即可。

⑤Type C的供电电路需添加两个并联的滤波电容，一个容值为10uF，一个容值为0.1uF；SL2.1A供电电路需添加一个去耦电容，容值为0.1uF。

⑥将SL2.1A的DMx和DPx分别连到Type A的D-和D+上。

⑦Type A的供电电压为+5V，同时为其并联一个10uF的陶瓷电容和一个0.1uF的陶瓷电容，插针SHELL接地即可。

⑧为防止USB设备短路损坏电脑接口，需要为Type C接口的电源电路添加保险丝。

（4）正常工作指示灯电路绘制：

        在画布中添加一个绿色LED和一个2kΩ的电阻，分别连接+5V和GND。

（5）至此已经绘制完若干个模块的电路，不过目前原理图还是比较混乱的，所以需要将各模块电路按区域划分摆放并添加注释。

①将各模块重新找个位置摆好，争取A4尺寸下能容下所有模块，其中最关键的芯片最好放在视图中间。

②在菜单栏中选择“放置”→“矩形”，即可在画布中添加矩形，每一个矩形框选一个模块，如果遇到矩形与电路交叉重叠的情况，可以对电路位置进行微调。

③在菜单栏中选择“放置”→“文本”，即可在画布中添加文本。

④在右侧栏中可以写入作者的名字，这样在原理图上也会显示作者的名字。

（6）所有工作做好后保存原理图，并进行DRC检查，只要不报错即可转换为PCB（警告可以视情况忽视）。

（7）即便进行了DRC检查，有些原则上的问题还是可能会遗漏（当然，它们通常不会引发较严重的问题），如下图所示，Type C电路的电源线接了保险丝保护，如果先接保险再接滤波器，保险丝可能会因为电源线上的干扰信号而误动作，导致不必要的断电，所以滤波电容应接在保险丝之前。

3、USB拓展坞PCB设计

（1）基于上面绘制的原理图，点击下图所示按键，将原理图转换到PCB。

（2）板框绘制：

①选择板框层，再在菜单栏中选择“放置”→“线条”→“矩形”，然后将矩形的第一个角放置在原点，尺寸可画个大概，后续根据需要进行调整。

②选中矩形，宽更改为30mm，高更改为100mm，圆角半径更改为3mm（这是因为在焊接元件时直角PCB板容易将手划伤，并且圆角板也更符合现代人审美）。

（3）定位孔绘制：

①在工具栏中找到过孔，依次添加到板子的四个角附近，孔的外直径为4mm，内直径为3mm。

②将左上角的过孔置于（x = 2.6mm，y = -2.6mm处），将左下角的过孔置于（x = 2.6mm，y = -97.4mm处），将右上角的过孔置于（x = 27.4mm，y = -2.6mm处），将右下角的过孔置于（x = 27.4mm，y = -97.4mm处）。

③为避免后续误操作过孔和板框，可选中它们，右键选择锁定。

（4）元件布局：

①将图层选回顶层，然后将原理图对应的各模块进行一个预布局，可以在原理图中框选相应模块，按下快捷键Ctrl+Shift+X实现布局传递（交叉选择Shift+X也可），直接选中原理图模块对应PCB中的相应元件。

②GND在后面通过铺铜进行连接，布局阶段可不考虑GND的飞线，直接将其隐藏即可。

③将各模块依次放到PCB板区域内，需遵循布局要求，交叉飞线最好能尽量减少。

[1] USB的Type C接口放在板子中轴上，所有USB接口都要略微超出板子一点点，因为打外壳的时候不能封住USB插口，同时需注意各USB接口的间距，切勿过密。

[2] USB电源流入板子，需经过大电容滤波，再经过小电容滤波。

[3] 晶振不要完全贴在板子边缘，否则可能会有电磁外泄的情况。

（5）布线：

①元件布局定下来后，需要将飞线一一“消除”，具体操作就是完成各飞线对应的连线，选择工具栏中的单路布线，再选择一个引脚（或者说焊盘）即可引出连线，左键双击焊盘也可引出连线。连线途中按Tab键可配置线宽，左击空位可以设置拐点；左击目标引脚即可完成连线（右键可以中断连线）；连线完成后可进行微调。

②在USB HUB的布线中涉及差分走线（因为USB协议使用差分信号传输，务必保证两条信号线长度相当，避免因信号线长度不一致导致通讯出错），需修改布线规则，具体操作为选择菜单栏中的“设计”→“设计规则”，差分对的规则按下图所示配置。

③显而易见，本实验应优先布置差分信号线，首先应添加6对差分对，可围绕主控芯片的引脚选择，具体有DPx和DMx（共4对）、DP和DM、接晶振的两个引脚，添加完成后，可按下快捷键Alt+D使用差分对布线工具，EDA会同时对两个差分对引脚进行布线，并自动进行等长调节，如果差分对布线不能满足要求，可以按下快捷键Shift+A对差分信号线做等长调节。

④Type C电源网络的焊盘非常粗（两个小焊盘叠在一起），这里可以选择实心填充的方式对电源网络进行铺铜操作，具体操作为先更改铺铜的设计规则，再选择工具栏中的“填充区域”→“多边形”，然后将VCC+5V网络全部包住（可以分为多块填充区域进行包裹，同一层的填充区域与填充区域之间可通过另一层的填充区域与过孔连接，过孔外径24mil、内径12mil，需要多添加几个，增强过流能力）。

⑤其它电源网络正常连线即可，不得大于焊盘的宽度，焊盘足够宽的前提下电源线宽度设为30mil。

⑥完成连线后，显示GND网络的飞线，虽然GND网络可通过铺铜连接，但要确保全部GND口都能通过铺铜连接在一起（铺铜会绕开一般信号线和电源线，将顶层和底层的空白区域铺满），对此可在GND口附近甚至是布线较少的地方布置过孔阵列将两面铺铜打通，如果有些GND口附近无法放置过孔，可以尝试将其与其它GND口连线，亦或是通过连线加过孔打通连接，使一面的铺铜能与另一面的GND焊盘形成电气连接。

⑦晶振附近需打一圈地过孔，并用粗导线连接起来，同时放置一个禁止布线层。

（6）铺铜：

        操作与上一实验类似，这里不再赘述，顶层和底层铺铜完毕后应当没有飞线。

（7）丝印绘制：

（8）完成以上内容后即可进行DRC检测，如果报错，则根据错误提示信息修改即可。

（9）选择菜单栏中的“文件”→“导出”→“PCB制板文件”，即可导出Gerber文件，此文件可发给商家进行打板。